[코스인코리아닷컴 전문위원 이승훈] K-POP 열풍의 중심에 있는 BTS의 한 멤버가 인터넷 방송에서 콤부차(Kombucha)를 예찬한 이후, 해당 업체 콤부차가 품절을 빚은 적이 있었다. 일반인에게 다소 생소한 콤부차는 녹차나 홍차를 우려낸 물에 종균 집합체(strain complex)를 넣고 발효 시켜 만든 건강 탄산음료로 신진대사 촉진과 노화 방지 등의 효과로 미국, 유럽 등에서 많이 음용되고 있다.

 

# 콤부차 마이크로바이옴

콤부차 발효에 사용되는 종균 집합체는 크게 초산균(acetic acid bacteria, AAA), 효모(yeast), 유산균(lactic acid bacteria, LAB) 등이며 각 균총들이 콤부차의 향미, 청량감과 같은 관능적 특징에 영향을 미치고 발효과정에서 우점화를 통해 외부 환경으 로부터 유입된 부패균의 생장을 억제시킨다. 종균 집합체의 발효 기간은 대략 7~14일이 소요되며 발효 후 환경조건에 따라 겔(gel)과 같은 셀룰로오스 막이 형성되는데 식물의 셀룰로오스와 구분하기 위해 바이오셀룰로오스(biocellulose, BC)라 부른다.

 

바이오셀룰로오스는 콤부차의 마이크로바이옴(microbiome)과 대사공학적인 상호작용이 자외선, 산소공급 부족 등 외부 환경조건의 변화에 의해 불균형이 초래될 때, 마이크로바이옴을 방어하기 위해 초산균이 생성하는 대사물질이다.

 

# 초산균의 대사공학적 선택, 바이오셀룰로오스

바이오셀룰로오스는 β-1,4-glucan을 기본 단위로 형성된 20~50 나노미터 피브릴(fibril)의 3차원 망상구조로 이루어져 있다. 식물 셀룰로오스에 함유되어 있는 리그닌(lignin)이나 헤미셀룰로오스(hemicelluloses)가 전혀 없는 순수 셀룰로오스로 구성되어 있어 습윤성, 흡수성, 고강도와 고탄력성의 물리적 특성을 갖고 있어 화장품용 마스크시트 개발에 활발히 사용되고 있다.

 

바이오셀룰로오스 생산균주로는 콤부차 마이 크로바이옴 구성균총인 아세토박터(Acetobacter), 코마가테이박터(Komagateibacter) 속(genus)의 균주가 있으며 산업적으로 상용화된 균주로는 Acetobacter xylinum, Komagateibacter rhaeticus 등이 대표적이다. 초산균은 초산(acetic acid)과 바이오셀룰로오스를 동시에 생산할 수 있기 때문에 대사공학적 관점에서 생산산물의 흐름(flux)을 결정하는 전략이 필요하다.

 

일반적으로 초산균이 초산을 생성할 때, 알코올을 산화시켜 생산한다. 이 경우 초산균은 산소를 많이 필요로 하는 호기배양을 선호한다. 그렇다면 바이오셀룰로오스는 언제 생산을 하게 될까? 이에 대한 답을 얻기 위해서는 초산균이 발효를 진행하는 환경에 주목할 필요가 있다. 초산을 생산하는 대사 환경과 달리 알코올 발효가 충분하지 않고 초산균이 이용하는 알코올의 도수가 낮고 통기량(amoun of air current)이 부족하거나 산도(acidity)가 낮은 환경에서 바이오셀룰로오스를 생산하게 된다.

 

이렇듯 대사물질에 따라 서로 다른 대사경로(metabolic pathway)를 갖게 되면 생산수율은 낮아질 수 밖에 없는데 산업계에서는 부직포, 코코넛 소재의 셀룰로오스와 양적 비교에 따라 소재의 가치를 동등하게 바라보면서 바이오셀룰로오스 연구 또한 초산균의 대사공학기법만을 통해 양적 열세를 극복해 왔던 것이 현실이다.

 

그러나 최근 피부 마이크로바이옴 과학이 발전 하고 초산균이 생성하는 바이오셀룰로오스의 대사 공학적 의미와 마이크로바이옴 과학을 접목한 보다 창의적인 바이오셀룰로오스 개발의 진보를 가져왔다.

 

# 사각틀 안에서 초산균 생존과 도전

마스크시트용 바이오셀룰로오스를 생산하기 위해서는 시트규격에 해당하는 트레이(tray)에 초산균 배양을 하게 된다. 초기, 초산균 생육은 폐쇄계(closed system) 설비인 발효조를 활용하지만 이후 과정은 개방계(open system) 설비인 트레이를 활용하게 된다. 발효대사공학에서 가장 어려운 난이도의 배양이라 감히 말할 수 있는 이유는 서로 다른 시스템을 초산균에 적용한 발효법으로 개방계 발효에서 바이오셀룰로오스를 생산하는 쪽으로 대사흐름이 바뀌면 초산을 원활하게 생산할 수 없어 배양환경에서 중요한 산성환경을 유지하기가 어려워지면서 공기 중으로부터 유입된 오염균의 생장을 막을 수가 없는 품질 리스크가 큰 생산방법이기 때문이다.

 

초산균을 특별한 조건에서 트레이 배양하면 피브릴(fibril), 펠리클(pellicle) 구조를 거쳐 바이오셀 룰로오스(biocellulose)가 된다. 개방계인 트레이 배양은 폐쇄계인 발효조 배양과는 달리 용기 구조상 인위적으로 산소를 외부에서 공급할 수 없기 때문에 초산균은 트레이 배양액에 녹아 있는 용존산소(dissolved oxygen, DO)를 생존을 위해 적극적으로 이용할 수 밖에 없다. 배양 초기, 초산균은 트레이 하부에 존재하면서 생존에 필요한 고농도 산소를 포집한다. 산소 포집과정은 펠리클의 3차원 망상구조를 만들어 배양액 내 포함되어 있는 용존 산소를 최대한 포집시킨다.

 

일정농도의 산소가 펠리클 단위로 포집되면 부력에 의해 초산균은 산소가 많은 배양액 표면으로 떠오르게 되고 이것이 일정한 비율로 연장되면서 바이오셀룰로오스 시트가 생성되는 것이다. 바이오셀룰로오스 시트가 표면을 덮게 되면서 두께를 늘려가는 과정 중에 공기중으로부터 유입된 오염균은 초산균이 섭취해야 하는 당을 빼앗아 섭취하고 이것마저 부족하게 되면 초산균이 생산한 바이오셀룰로오스를 분해해 생장에 활용한다. 이렇게 되면 바이오셀룰로오스 두께의 불균일성이 나타나고 군데군데 투명환이 보이게 되는데 이러한 바이오셀룰로오스는 상업적 활용이 어렵게 된다.

 

# 초산균과 유산균의 공생기

필자가 소속되어 있는 현대바이오랜드에서는 최근 ‘피부 상재균총 조절효과를 갖는 하이브리드 박테리얼 셀룰로오스 마스크 시트 및 이의 제조방법’ 에 관해 기술특허를 등록하고(등록특허 KR10-2262644) 양산화에 성공했다. 이 특허의 핵심은 생산적 측면에서 개방계 생산시스템의 문제점을 근본적으로 해결해 가성비가 높은 양질의 바이오셀룰로오스를 생산하는 것이며 R&D 기술측면에서는 개발된 신규 바이오셀룰로오스가 기존의 부직포, 코코넛 시트 등의 마스크 소재가 담지 못하는 얼굴 마이크로바이옴(facial microbiome)의 기술철학(技術哲學)을 담는 것을 목표로 했다. 먼저, 생산적인 측면에서 살펴보자.

 

상기 기술적 난제의 해결을 위해 콤부차 마이크로바이옴에 주목해 초산균과 공생이 가능한 미생물을 찾는 연구를 진행했고 연구진은 공생 미생물의 자격을 다음과 같이 설정했다.

 

첫째, 통성 미생물(facultative microorganism)이어야 한다. 개방계 시스템에서 초산균의 용존산소를 나눠쓰기에는 그 양이 너무 부족하다. 따라서 산소의 유무에 상관없이 생육할 수 있는 미생물이 필요 하다.

 

둘째, 산을 생성하는 미생물(acid producing microorganism)이어야 한다. 개방계 시스템을 산성화시켜 오염균의 생육(보통은 알칼리 환경)을 억제하는 환경을 제공하고 초산균에게는 바이오셀룰로오스를 생산하는 효소(Bacterial Cellulose Synthetase, BCS)를 자극시켜 생산을 유도하는 역할을 한다.

 

셋째, 초산균과 당 대사과정이 유사한 공생균 (symbiotic microorganism)이어야 한다. 초산균은 포도당과 같은 탄소원을 균의 생장 뿐 아니라 초산, 바이오셀룰로오스 대사산물 생산에 사용한다. 당이 부족하면 원하는 두께의 바이오셀룰로오스를 생산하기 어렵다. 따라서 목적으로 하는 두께의 바이오셀룰로오스를 생산할 수 있도록 충분한 당을 제공하고 쓰고 남은 당은 오염균이 사용하지 못하도록 소모시키는 공생균이 필요하다.

 

상기 세 가지 자격 기준에 부합하고 초산균과의 공생력이 가장 우수한 균종은 유산균으로 밝혀졌다. 그렇다고 모든 유산균이 초산균의 공생균 자격을 갖는 것은 아니여서 특정 그룹의 통성 이형발효 유산균(facultatively heterofermentative LAB)그룹에 속하는 유산균들이 당 대사과정으로 5탄당 경로(pentose phosphate pathway, PPP)를 이용한다는 점에서 배양학적 유사점을 갖는다.

 

이 세 가지 자격 기준 외에 상기 유산균 그룹은 박테리오신(bacteriocin)이라는 항균물질을 생산 하는데 이 물질은 초산균의 생육은 저해하지 않고 공기 중으로부터 혼입된 오염균의 생장만을 선택적으로 억제시키기 때문에 품질 높은 바이오셀룰로오스를 생산할 수 있는 기회를 제공한다.

 

# AL-하이브리드 바이오셀룰로오스, 마스크 스왑(mask swab) 개발

 

초산균과 유산균의 공생발효에 의해 생산된 바이오셀룰로오스를 ‘AL-하이브리드 바이오셀룰로오스(AL-hybrid biocellulose)’라 명명했다. 신규 바이오셀룰로오스가 최근 마이크로바이옴 연구와 어떤 관계가 있고 R&D 기술측면에서 어떤 의미가 있는지 살펴보도록 하자.

 

필자가 AL-하이브리드 바이오셀룰로오스를 개발할 당시에 2가지 개발철학을 담고자 했다. 하나는 피부 상재균총의 포집을 위한 마스크 스왑(mask swab)기능이고 다른 하나는 얼굴 피부에 영양을 공급하는 DDS 캐리어(drug delivery system carrier)의 기능이다.

 

피부 마이크로바이옴 가운데 가장 산업적 매력도가 높은 부분은 얼굴 마이크로바이옴(facial microbiome)이다. 전통적으로 얼굴 마이크로바이옴을 구상하는 상재균총을 수집, 분석하기 위해 얼굴 표면에 존재하는 미생물들을 면봉으로 스왑(swab)하는 방식을 사용한다. 이 면봉스왑 방식은 상대적으로 넓은 얼굴 면적 대비 수집공간이 작고 연구자에 따라 스왑하는 힘이 균일하지 못해 수집 편차가 발생한다. 얼굴 마이크로바이옴을 분석하기 위해서 누군가의 손을 빌리는 것 보다는 스스로 마스크를 활용하는 방식으로 얼굴 피부의 상태를 상재균총의 비율로 해석하기 용이할 것이다.

 

마스크 스왑 개발에 중요한 부분은 마스크 표면에 다량의 포집 공극수(combustion pore numbers)를 만들어 주어야 하는데, AL-하이브리드 바이오셀룰로오스의 경우 초산균이 산소포집(air combustion)을 위해 만든 피브릴 3차 망상구조 내에 유산균이 포집, 생장하면서 산소공극(air pore) 외에 유산균 공극(LAB pore)이 만들어져 얼굴 마이크로바이옴을 구성하는 다수의 상재균총을 동시에 포집시킬 수 있다.

 

# 코로나19가 가져온 변화, 변수의 상수화

일반적으로 안전하다고 인정되는 미생물(Generally Recongnized As Safe, GRAS)인 유산균은 단순 요거트 균주를 넘어 프로바이오틱스(probiotics)라는 이름으로 장 마이크로바이옴(gut microbiome) 분야의 각종 질환, 예를 들어 과민성 대장증후군(irritable bowel syndrome, IBS), 염증성 장질환(inflammatory bowel disease, IBD) 등의 예방 솔루션으로 자리잡은지 오래이며 장(gut)-기관(organ)-축 이론에 근거해 치료제 개발까지 그 영역을 확대해 나가고 있다.

 

기전적으로 술, 항생제를 비롯한 각종 유해성분 등으로부터 장 마이크로바이옴을 구성하는 유익균과 유해균의 균형이 깨지면서 일어나는 장 내부의 변화를 예방해주기 때문에 매일매일 섭취 권장하는 필수품이 되어가고 있다. 마이크로바이옴 솔루션을 연구하는 필자에게 있어 피부는 장 마이크로바이옴 다음으로 연구 가치가 높은 분야이다.

 

그러나 피부 마이크로바이옴은 장 마이크로바이옴과 같이 체계화된 연구기법을 적용하기 어려운데 피부가 몸 속의 소화기관과는 달리, 공기층과 접해 있는 개방계의 특징을 가져 대상자의 성별, 나이, 직업, 사용하는 화장품, 영양상태 등의 변수(variable) 가 많아 이로 인한 피부 상태가 다르기 때문이다.

 

최근 학계에서는 피부 마이크로바이옴에 영향을 미치는 자외선, 미세먼지, 담배연기, 약물 등의 유해요소들을 하나로 묶어 엑스포좀(exposome)이라 명명했다. 엑스포좀에 속하는 유해요소의 변수화가 커질수록 피부 상재균총의 표준화 분석이 어렵고 이에 따른 솔루션 또한 범용으로 개발하는 것이 무의미하다.

 

최근 피부 마이크로바이옴을 연구하는데 있어 연구 패러다임을 바꾸는 커다란 일이 발생했는데, 바로 코로나19(COVID-19)이다. 빠른 백신개발과 보급으로 단기적 상황으로 종료될 것 같았던 분위기가 여러 종류의 백신이 개발됐음에도 변이 바이러스가 출현하면서 방역 마스크를 계속적으로 착용하는 것이 의무화됐다.

 

코로나19가 장기화됨에 따라 방역 마스크의 장시간 착용이 얼굴 피부에 영향을 미치는 가장 큰 변수로 등장하면서 그 동안 피부에 영향을 미치는 엑스포좀의 순위가 한 순간에 뒤바뀌는 상황을 마주하게 됐다. 다시 말해 피부에 영향을 미칠 수 있는 여러 가지 생활패턴이 방역 마스크라는 생활패턴 중심으로 흡수되면서 변수의 상수화(constant) 현상이 나타나게 되고 방역 마스크 착용 후 얼굴피부에 노출되는 시간, 강도 등이 사람마다 비슷해져 다양성이 깨지고 공통적인 피부문제의 패러다임으로 전환이 된 것이다.

 

최근 방역 마스크의 장시간 착용이 홍반, 가려움 등의 피부자극 뿐 아니라 피부 장벽의 점진적 손상을 가져온다는 의학계 보고가 많이 증가했다. 이렇듯 모든 사람들이 획일적으로 겪는 상수화된 환경이 지속될수록 이에 대한 강도 높은 예방책을 요구하게 되고 피부상태를 회복시키는 가성비 높은 제품을 필요로 하게 된다.

 

# 얼굴 마이크로바이옴의 DDS 솔루션, AL-하이브 리드 바이오셀룰로오스 마스크

화장품 산업에서 피부에 유효기능성 물질을 전달하기 위한 방법이 끊임없이 연구개발되어 왔다. 이러한 연구분야가 약물전달시스템(drug delivery system, DDS)이며 대표적으로 잘 알려진 DDS 솔루션은 리포좀(liposome) 기술이다. 즉, 용해도가 좋지 않은 난용성 물질은 생체 내 전달률이 떨어져 약물의 효능이 낮게 평가된다. 이를 개선할 목적으로 개발된 리포좀은 비극성 부분을 내부에 결합시키고 바깥부분은 극성부분으로 노출시켜 약물포접을 통해 비극성을 극성화시켜 전달률을 높이고 약물의 효능 또한 크게 개선시키는 약물전달기술 중하나이다.

 

이와 비슷하게 피부 마이크로바이옴에 영향을 미치는 기능성 소재를 얼굴 마이크로바이옴에 도입하기 위해서는 유해 엑스포좀 성분이 얼굴에 미치는 면적 이상으로 한번에 유용 성분을 공급해야 하는 동시성(simultaneity)과 대량성(massification)을 갖춘 피부 친화적인 DDS 솔루션이 필요하다. 얼굴 피부에 제공할 영양소를 탑재할 캐리어(carrier)로 개발된 것이 AL-하이브리드 바이오셀룰로오스 시트이다.

 

앞서 설명한 바와 같이 AL-하이브리드 바이오셀룰로오스 시트 생성과정에서 형성된 수많은 포집공극에 액티브성분을 함침시킨 형태로 만든 함침시트(impregnated sheet)로 얼굴 마이크로바이옴 정상화를 할 수 있는 기회를 쉽게 제공한다.

 

필자가 소속되어 있는 현대바이오랜드에서는 자체 마이크로바이옴 셀뱅크(HDB Microbiome Cell Bank)에 피부장벽개선에 도움을 주는 유산균을 다수 보유하고 이를 피부에 적용가능한 형태로 제조할 수 있는 더마바이오틱스 패밀리 특허기술을 보유하고 있다(등록특허 KR10-2084003 ; KR10-2133689 ; KR10-2149102). 이를 핵심소재로 최근에 더마바이오틱스를 포집공극에 함침시킨 유산균 하이브리드 바이오셀룰로오스 마스크의 개발에 성공했다. 향후에는 이 가성비 높은 포집공극을 갖춘 캐리어에 무엇을 담을지 고민이 더 필요해 보인다. 그것이 더마바이오틱스든 건강한 상재 균총을 유지하는데 도움을 주는 프리바이오틱스 간에.

 

# 방역 마스크의 아쥬반트(adjuvant)

4차 산업혁명의 핵심 아이콘들이 점진적으로 상업화하는 시기를 코로나19는 빠르게 앞당겼다. 다만, 핵심 아이콘들이 솔루션으로 정착하기 위해서는 빅데이터 기반의 검증이 필요하다. 마스크팩 개발도 코로나19가 변화를 가져온 것은 분명하다. 누가 저렴하게 만드냐의 양적 경쟁에서 나의 피부에 적합한 마스크가 무엇인지의 질적 경쟁으로 변화를 가져왔다.

 

하루 종일 고생한 방역 마스크가 우리 얼굴에서 벗겨질 때, AL-하이브리드 바이오셀룰로오스 시트는 그 다음의 역할을 해줄 수 있는 유능한 소재가 될것으로 기대된다.

 

최근 의학계에서 면역세포치료제 개발에 마이크로바이옴 솔루션을 아쥬반트(adjuvant)로 같이 적용하는 추세이다. 아쥬반트는 주연이 아닌 조연 역할을 의미하지만 주 치료제의 부작용을 완화시키거나 상쇄시키는 중요 역할을 담당하기 때문에 주연만큼 조연의 역할 또한 중요하다. 이와 같이 코로나19 방역의 최전선에서 우리를 보호해 주는 방역 마스크가 있다면 불가피한 선택적 환경에서 얼굴 피부 마이크로바이옴을 정상화할 수 있는 기능성 아쥬반트들이 많이 개발되어 소비자 선택권이 다양해지길 희망해 본다.

 

     이승훈

     (현) 현대바이오랜드 바이오융합연구소장, 공학박사

     (현) 한국미용학회 기초과학분과/학술분과위원

     (전) SK바이오랜드 연구소장

     (전) 일동-천랩 마이크로바이옴(ICM) 연구팀장

     (전) 일동제약 프로바이오틱스 수석연구원